多年冻土南界附近青藏铁路路基下的冻土退化

基于2006-2012年青藏铁路多年冻土区唐古拉山南侧安多断面地温监测资料,分析了多年冻土南界附近路基下多年冻土的退化过程及其影响因素.结果表明：该监测断面天然场地多年冻土退化表现为多年冻土天然上限下降与多年冻土地温升高,观测期内多年冻土天然上限下降0.29 m,下降速率为4 cm·a^-1;路基下10 m处多年冻土温度升高0.03℃,升温速率为0.004℃·a^-1.该监测断面路基左路肩下多年冻土退化表现为多年冻土人为上限下降、多年冻土地温升高、多年冻土下限抬升以及多年冻土厚度减少.观测期内多年冻土人为上限下降0.41 m,下降速率为6 cm·a^-1;路基下10 m处多年冻土地温升高0.06℃,升温速率为0.009℃·a^-1;多年冻土下限抬升0.50 m,抬升速率为7 cm·a^-1;多年冻土厚度减少0.90 m,减少速率为13 cm·a^-1.工程作用是导致路基下多年冻土退化的主要原因,气温升温与局地因素中的冻结层上水发育促进了这一退化过程.路基下融化夹层的出现,导致多年冻土垂向上由衔接型变为不衔接型.     

青藏铁路沿线天然场地多年冻土变化

基于青藏铁路沿线30个天然场地2006—2015年地温观测资料,对多年冻土天然上限(以下称冻土上限)及其变化、不同深度冻土地温及其变化进行分析,研究了近期多年冻土时空变化特征。观测结果表明,冻土上限为0.88~9.14 m,平均为3.54 m。在冻土上限下降的场地中,冻土上限下降幅度为0.05~2.22 m,平均为0.51 m;冻土上限下降速率为0.01~0.25 m/a,平均为0.07 m/a。高温冻土区冻土上限下降幅度与下降速率分别大于低温冻土区的0.47 m与0.06 m/a。总体而言,冻土上限附近和15 m深度地温呈上升趋势。其中,冻土上限附近地温升温幅度为0.01~0.60℃,平均为0.16℃;冻土上限附近地温升温速率为0.001~0.067℃/a,平均为0.018℃/a。低温冻土区上限附近地温升温幅度与升温速率分别大于高温冻土区0.12℃和0.014℃/a。15 m深度地温升温幅度为0.01~0.48℃,平均为0.10℃,15 m深度地温升温速率为0.002~0.054℃/a,平均为0.011℃/a。低温冻土区15 m深度地温升温幅度和升温速率分别大于高温冻土区0.11℃和0.012℃/a。个别观测场地受局地因素影响,出现了冻土上限抬升和冻土地温下降的情形。     

祁连山大通河源区冻土特征及变化趋势

大通河源区位于祁连山中东部, 属高山多年冻土区, 利用源区内冻土钻探及监测资料对源区冻土发育的基本特征及变化趋势进行了分析和探讨. 冻土地温分析表明, 源区冻土年平均地温随海拔的变化梯度约为3.82 ℃·km^-1, 且冻土地温与表层覆被条件关系密切. 盆地平原地带多年冻土厚度约为17~86 m, 且以海拔每上升100 m冻土厚度增加约10 m的梯度增加. 多年冻土活动层厚度受海拔地带性作用不显著, 更多地受局地因素的控制, 地表覆被条件成为其主要影响因素. 在气温升高以及人类活动日益增多的影响下, 源区冻土整体处于退化状态, 多年冻土年平均地温以0.0075 ℃·a^-1的速率上升.     

青藏高原热融湖横向扩张速率对湖下融区发展影响的数值模拟

热融湖是高纬度和高海拔富冰多年冻土区重要的自然景观。这些湖由于富冰多年冻土或地下冰的融化而形成,由于湖水向周边多年冻土传递热量而持续扩张。以青藏高原北麓河地区一个热融湖的信息和冻土监测资料为基础,运用柱坐标系下伴有相变的热传导模型模拟了以不同的横向扩张速率演化的热融湖湖下融区的发展过程。结果表明：在青藏高原多年冻土厚度为75 m的北麓河盆地,分别以横向扩张速率0.10 m·a^-1、0.15 m·a^-1、0.20 m·a^-1和0.25 m·a^-1演化的热融湖,在湖形成分别达760 a、703 a、671 a和652 a时,湖下形成贯通融区,相应的多年冻土从上向下融化的平均速率分别为8.22 cm·a^-1,8.89 cm·a^-1,9.31 cm·a^-1和9.74 cm·a^-1。热融湖的横向扩张速率对湖下的融区发展和土壤热状况有重要的影响,在现场调查资料的基础上选取正确的热融湖横向扩张速率是热融湖对多年冻土热状况作用数值模拟研究的必要前提。     

青藏公路沿线多年冻土对气候变化和工程影响的响应分析

青藏公路沿线工程和气候变化影响下多年冻土变化监测表明,多年冻土对工程活动和气候变化的响应过程存在着较大差异,不同年平均地温的多年冻土使这种差异变得更为明显.分析结果表明:气候变化下低温多年冻土变化要大于高温多年冻土,工程状态下低温多年冻土变化要小于高温多年冻土;气候变化引起的低温多年冻土变化要大于工程对其的影响,而高温多年冻土正好相反.造成这一结果原因主要是由于在工程建设完成初期,相对于气候影响,工程作用对多年冻土的影响具有放大作用,这使得工程状态下多年冻土对气候变化基本没有响应.按照气候影响下多年冻土温度年变化速率来推测,低温多年冻土表面温度升温到工程状态需要50a左右时间,高温多年冻土需要20a左右.6m深的低温多年冻土温度升温到工程状态需要20a,高温多年冻土仅需要5~8a.     

青藏铁路普通路基下部冻土变化分析

高温高含冰量冻土地区,青藏铁路采取了冷却路基、降低多年冻土温度的工程措施.然而青藏铁路仍有大量路段未采用任何工程措施,因此修筑普通路基后冻土变化也是普遍关心的问题.根据青藏铁路普通路基下部土体温度监测的近期结果,分析了季节冻土区、已退化多年冻土区和多年冻土区路基下部冻土变化特征.结果表明,不同区域修筑普通路基,其下部土体温度、最大季节冻结深度、多年冻土上限等存在较大的差异.在季节冻土和已退化多年冻土区,右路肩下部(阴坡)已形成冻土隔年层;在多年冻土强烈退化区,其路基下部形成融化夹层;在高温多年冻土区,其路基下部上限存在抬升和下降,上限附近土体温度有升高的趋势.在低温多年冻土区,其路基下部上限全部抬升,上限附近土体存在"冷量"积累,有利于路基下部多年冻土热稳定性.因此,低温多年冻土区修筑普通路基后,冻土变化基本是向着有利于路基稳定性的方向发展,在其它地段修筑普通路基,冻土变化是向着不利于路基稳定性的方向发展的.特别是阴阳坡太阳辐射差异,导致了土体热状态和多年冻土上限形态产生较大的差异,这种差异将会对路基稳定性产生一定的影响.     

青藏直流联网工程多年冻土区砼灌注桩基础长期热稳定性预测研究北大核心CSCD

对于冻土工程而言, 基础热稳定性是决定工程稳定性及服役性能的关键. 为预测±400 kV青藏直流联网工程多年冻土区砼灌注桩基础的长期热稳定性, 建立了考虑相变问题的二维数值传热分析模型, 应用有限元方法研究了气候变暖背景下, 不同年平均地温、不同含冰量条件下灌注桩基础传热特性和长期热稳定性. 结果表明： 单桩对周围土体的热影响范围是桩径的4~5倍, 桩基周围融化深度随时间推移而增大, 在低含冰量的高温和低温冻土区桩基50 a后最大融化深度分别为6.65 m和3.05 m, 所对应的冻土上限平均融化速率分别为9.5 cm·a-1和3.6 cm·a-1;在高含冰量的高温和低温冻土区50 a后最大融化深度分别为5.25 m和2.77 m, 其冻土上限平均融化速率分别为6.7 cm·a-1和2.0 cm·a-1. 在气候变暖背景下, 桩基上部周围冻土逐渐升温、融化, 50 a后, 在低含冰量的高温冻土区桩基由于融化深度增大导致有效冻结长度减少28%, 在高含冰量的高温冻土区桩基的有效冻结长度减少15%, 桩侧冻结力随之相应减小. 该研究对于冻土区桩基长度设计、桩基工程的维护和冻土稳定性评价提供了重要的科学依据.     

青藏高原多年冻土层中地下冰储量估算及评价

过去几十年来,沿青藏公路/铁路多年冻土区已经完成了数千个钻孔的钻探工作.经过仔细筛选,对其中的697个钻孔剖面的地下冰分布状况和其中9261个重量含水量的分布特征进行了分析.在水平方向上,依据地下冰的分布特征,把青藏公路/铁路沿线的多年冻土划分成少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层5个含冰量类别,并详细统计了各类冻土沿公路所占里程.在垂向上,将每个钻孔划分出3个深度段:即多年冻土上限以下1m范围内、上限下深1～10m段及上限下10m以下段,统计了各深度地下冰储量.青藏公路沿线多年冻土的平均厚度为38.79m,平均含水量为17.19%,据此初步估算出青藏高原多年冻土区地下冰的总储量为9528km3.     

青藏公路下伏多年冻土的融化分析

基于青藏公路沿线高温冻土区和低温冻土区2组地温观测孔5 a的地温观测资料, 研究了路基下伏多年冻土的融化状态, 定量分析了进入路基下多年冻土内的热状况. 结果表明: 路基近地表地温明显高于对应天然地表下的地温, 路基近地表经历的融化期长于对应天然地表, 高温冻土区路基内已形成贯穿融化夹层;进入高温冻土区路基下伏多年冻土内的热收支处于持续不断的吸热状态, 进入低温多年冻土区的热收支也呈现出吸热明显大于放热的周期性变化;高温冻土区接近0℃的地温及其持续不断的热积累是引起下伏多年冻土不断融化的主要原因. 低温冻土区进入多年冻土的热积累暂时以增高地温耗热为主, 随着地温的增高, 低温冻土区也可能发生强烈的冻土融化.     

1901—2018年三江源地区大气冻融指数变化特征

三江源地区是我国重要生态安全屏障,冻土是其高寒生态系统的重要组成部分,冻土的变化深刻影响高寒生态系统固碳及水源涵养。基于英国东英吉利大学（University of East Anglia,UEA）气候研究中心（Climatic Research Unit,CRU）月平均气温再分析资料,利用线性倾向法和滑动平均法并结合GIS空间分析和制图,计算并分析了三江源地区1901—2018年冻融指数变化趋势及其空间分布特征。结果表明：三江源地区冻结指数在1901—2018年整体以-1.1 ℃·d·a^-1的斜率呈波动减少趋势,经历了三个波动变化阶段：1901—1943年的下降（-3.4 ℃·d·a^-1）、1943—1966年的升高（8.8 ℃·d·a^-1）、1966—2018年的再次下降（-4.3 ℃·d·a^-1）。融化指数与冻结指数的变化相反,整体以0.34 ℃·d·a^-1的斜率呈波动上升趋势,呈现升高（1901—1943年,3.3 ℃·d·a^-1）、下降（1943—1981年,-3.1 ℃·d·a^-1）、再次升高（1981—2018年,2.9 ℃·d·a^-1）的趋势。在空间分布上,自西向东随海拔和多年冻土连续性降低,冻结指数由3 400 ℃·d递减到600 ℃·d,融化指数由接近0 ℃·d增加到1 800 ℃·d。长江源区冻结指数最大,融化指数最小;黄河源区冻结指数最小,融化指数最大。研究成果可为三江源地区冻土变化及其对高寒生态环境的影响研究提供科学借鉴。     

青藏铁路块石路基冷却降温效果对比分析

基于现场地温监测数据,对青藏铁路两种主要块石路基（块石护坡及U型块石路基）在不同年平均地温分区的冷却降温效果进行对比分析,发现不论是在低温基本稳定区（年平均温度-2.0 ℃≤TCP<-1.0 ℃）还是高温极不稳定区（TCP>-0.5 ℃）,两种块石路基的应用都能够有效地提升路基下部多年冻土上限。但两种不同块石结构路基表现出不同的冷却降温效果,其中U型块石路基冷却降温效果较好,在路基下多年冻土上限提升及下伏浅层多年冻土降温的同时,深层多年冻土温度保持稳定;而块石护坡路基下人为多年冻土上限的提升及浅层多年冻土温度的降低一定程度上消耗了下伏深层多年冻土的冷量,从而导致其温度有所升高。同时,在不同的年平均地温分区块石路基表现出不同的冷却降温效果：年平均地温较低断面,块石路基冷却降温效果显著。在年平均地温较高的断面,尤其是高温极不稳定多年冻土区,块石护坡路基下伏深层多年冻土温度升高明显,路基长期稳定性难以得到保证。     

青海高原中、 东部多年冻土及寒区环境退化

近年来, 随着全球气候变暖和人类社会经济活动的增强, 处于季节冻土向片状连续多年冻土过渡区的青海高原中、 东部多年冻土退化显著. 巴颜喀拉山南坡清水河地区岛状冻土分布南界向北萎缩5 km; 清水河、 黄河沿、 星星海南岸、 黑河沿岸、 花石峡等岛状冻土和不连续多年冻土出现融化夹层和不衔接多年冻土, 有些地区冻土岛和深埋藏多年冻土消失, 多年冻土上限下降、 季节冻结深度变浅; 片状连续多年冻土地温升高、 冻土厚度减薄. 1991-2010年巴颜喀拉山南北坡不连续多年冻土分布下界分别上升90 m和100 m, 1995-2010年布青山南北坡不连续多年冻土分布下界分别上升80 m和50 m. 造成冻土退化的主要原因为气候变暖, 使得地表年均温度由负变正, 冻结期缩短, 融化期延长, 冻/融指数比缩小. 伴随着冻土退化, 高寒环境也显著退化, 地下水位下降, 植被覆盖度降低, 高寒沼泽湿地和河湖萎缩, 土地荒漠化和沙漠化造成了地表覆被条件改变.     

Permafrost Change Under Natural Sites Along the Qinghai-Tibet Railway During the Years of 2006-2015

Permafrost changes under natural sites along the Qinghai-Tibet Railway were investigated based on the ground temperature monitored from the year of 2006 to 2015. Among these sites, mean permafrost table was 3.54 m, with a range of 0.88 to 9.14 m. Among the sites with decreasing permafrost table, mean decreasing amplitude of permafrost table was 0.51 m, with a range of 0.05 to 2.22 m; mean decreasing rate of permafrost table was 0.07 m/a, with a range of 0.01 to 0.25 m/a. Decreasing amplitude and decreasing rate of permafrost table in high temperature regions were 0.47 m and 0.06 m/a greater than those in low temperature regions, respectively. In general, ground temperatures at permafrost table and 15 m depth presented rising tendency. Mean rising amplitude of ground temperature at permafrost table was 0.16 ℃, with a range of 0.01 to 0.60 ℃; mean rising rate of ground temperature at permafrost table was 0.018 ℃/a, with a range of 0.001 to 0.067 ℃/a. Rising amplitude and rising rate of ground temperature at permafrost table in low temperature regions were 0.12 ℃ and 0.014 ℃/a greater than those in high temperature regions, respectively. Mean rising amplitude of ground temperature at 15 m depth was 0.10 ℃, with a range of 0.01 to 0.48 ℃; mean rising rate of ground temperature at 15 m depth was 0.011 ℃/a, with a range of 0.002 to 0.054 ℃/a. Rising amplitude and rising rate of ground temperature at 15 m depth in low temperature regions were 0.11 ℃ and 0.012 ℃/a greater than those in high temperature regions, respectively. Due to the effect of local factors, increasing of permafrost table and decreasing of ground temperature were observed under several sites.     

基于年平均地温的青藏高原冻土分布制图及应用

年平均地温是指多年冻土年较差为零的深度处的地温,是冻土分带划分的主要指标之一.利用青藏公路沿线钻孔实测年平均地温数据,进行回归统计分析,获取年平均地温与纬度、高程的关系,并基于该结果,结合TOPO30高程数据模拟得到整个青藏高原范围上的年平均地温分布.以年平均地温0.5℃作为多年冻土与季节冻土的界限,对比分析模拟图与青藏高原冻土图,除个别区域有较明显的差异,模拟结果图较好地体现了青藏高原冻土的分布情况.利用模拟结果,根据青藏高原多年冻土分带指标及寒区工程多年冻土区划指标,对青藏高原多年冻土分布进行了分带划分,并统计各分带面积;根据简化的冻土厚度计算公式,计算了青藏高原多年冻土的厚度分布.最后,利用数值预测方法的结果,在气候年增温0.04℃的背景下,对高原未来冻土分布进行了预测.     

热管措施下锥柱式桩基础传热过程及降温效果预测研究

针对青藏直流联网工程塔基热稳定性问题,建立空气-热管-土体耦合传热数学模型,并利用该模型开展锥柱式基础传热过程及热管冷却降温效果的模拟预测研究. 结果表明：冷季热管工作期间,其周围地温梯度明显较大且呈“纺锤形”分布. 同时,由于锥柱式基础及其底座为热的良导体,热管产生的冷量通过锥柱式基础及其底座快速向基础底部传递,使得基础下部形成大范围低温冻土,这对主要考虑融沉病害的锥柱式基础而言十分有利. 暖季热管停止工作期间,浅层地温主要受环境温度影响,锥柱式基础附近融化深度大于天然地表下,二者差值约35 cm. 通过热管剖面及无热管作用中间剖面地温对比,发现单一塔腿在4根热管措施作用下,锥柱式基础周围多年冻土地温分布较为均匀,可避免冻土地基的显著不均匀沉降变形. 热管周围土体快速降温过程主要集中在前5 a,之后受气候变暖影响桩基础及天然地表以下上限深度不断增加,多年冻土地温缓慢升高. 50 a气温升高2.6 ℃背景下,锥柱式基础下部多年冻土仍保持冻结状态,能够满足青藏直流联网工程对于冻土地基热稳定性要求.     

青藏铁路沿线多年冻土区地温场变化规律

青藏铁路通过约550km的多年冻土区,统计和分析青藏高原多年冻土分布区主要气象台站的资料可以看出,近30a来高原多年冻土区的气候变化总的趋势是向着气温升高的方向发展的,气温的变化对多年冻土热状态的扰动主要表现在地温场的变化上.30多年来高原气温升高0.45℃左右,并引起冻土地温平均升高了0.2～0.3℃.分析青藏铁路通过的多年冻土地区典型地段测温孔资料,发现多年来气候转暖已经使冻土上部(20m以上)地温明显升高,影响深度已经波及到了40m.